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电动汽车用永磁同步电机设计及温度场分析

作　者: 陈薇薇
导　师: 刘闯
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 电机与电器
关键词: 电动汽车永磁同步电机有限元法损耗温度场
分类号: TM341
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

目前，城市范围内的大气污染问题以及全球范围内的CO2排放等问题已经引起人们的广泛关注。汽车能源消耗是造成大气污染、全球温室气体排放和全球石油压力的主要原因。目前在世界范围内已达成共识——新能源电动汽车势在必行。电动汽车用永磁同步电动机不同于仅工作在额定点的传统电机，它在整个转速范围内运行，电机的基本性能、损耗、温升这些关键问题的研究就需要扩展到整个运行范围内。本文研究了电动汽车用8kW切向结构永磁同步电机的基本性能，并对不同情况下的损耗、温升等进行了研究，提出永磁同步电机设计的关键点，对这些关键问题的研究不仅具有重要的理论意义，而且具有较高的实用价值，为电机的优化设计提供了依据。首先，文章中提出了电动汽车用永磁同步电机的设计原则和样机模型的基本结构，并对某些关键问题，如气隙磁密、反电势、齿槽转矩等进行定量分析。由于电机定子采用斜槽结构，提出了轴向分段模拟斜槽三维仿真的二维有限元分析方法，通过仿真，比较了直槽定子和斜槽定子各自的优缺点。其次，对电机中引起温升的各类损耗进行分类及分析，损耗一般包括定子铁耗、绕组铜耗、转子涡流损耗和机械损耗等。为了分析铁耗，重点考察了定子齿、轭部等典型位置的磁密分布，同时考虑了交变磁化和旋转磁化的影响，并对不同转速、不同铁芯材料、不同供电方式等情况下的铁耗变化规律进行研究；采用计算和实验相结合的方法，比较了不同运行状态、不同电流时的绕组铜耗，并对不同定子槽尺寸的绕组铜耗进行分析比较，认为定子槽深比定子槽口宽对铜耗的影响更大；在研究转子涡流损耗时，分别考虑了永磁体和转子铁芯，仿真结果表明，转子铁芯中的涡流损耗比永磁体中的大得多，但永磁体中涡流损耗的集肤深度要比铁芯中的深；计算了机械损耗，主要是不同转速时的风磨损耗，找出其变化规律，以便实现后文中对损耗分离的计算。再次，基于传热学、电磁学等理论学科的基础理论，建立温度场三维仿真模型，其中进行了一系列的等效，将电机气隙内空气进行准静止处理，给出了电机运行时气隙中空气的等效导热系数计算公式，根据不同的周围情况，计算了各部件表面的散热系数，并根据前文中得到的损耗结果，计算出电机各部件的生热率，并将其数值作为温度场仿真的热载荷。在此基础上，对电动汽车用永磁同步电机的温度场进行了仿真分析，给出不同情况下的温度分布图，包括不同转速的空载温度场、额定转速时不同负载下的温度场等，分别分析了定子铁芯、上下层绕组、永磁体等部件的温度，以及定转子间气隙的温度变化。研究表明，准静止处理后的气隙温度并非均匀，而是呈有规律的波动。最后，以额定转速为2400r/min的电动汽车用永磁同步电机为实验样机，测量了电机在不同转速下的空载反电势、空载损耗，并将空载损耗进行分离处理，得到的铁耗实验值与计算值进行比较。同时进行了电机温升实验，得到空载和负载时的温度曲线。对比温度场仿真和温升实验结果，给出了一些有益的结论，为进一步优化电动汽车永磁同步电机提供参考。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-14
第一章绪论  14-20
  1.1 研究背景及研究意义  14-15
  1.2 电动汽车用电机的发展  15-16
  1.3 电动汽车用永磁同步电机关键问题及其研究现状  16-19
    1.3.1 永磁同步电机损耗的研究现状  16-18
    1.3.2 电机温升的研究现状  18-19
  1.4 本文的主要研究内容和工作  19-20
第二章电动汽车用永磁同步电机设计与分析  20-33
  2.1 电动汽车用永磁同步电机的总体设计  20-24
    2.1.1 转子类型的选择  20-21
    2.1.2 主要尺寸及材料的选择  21-22
    2.1.3 转子极对数选取  22-23
    2.1.4 绕组设计  23-24
    2.1.5 样机结构  24
  2.2 电机电磁场计算及特性研究  24-31
    2.2.1 各项系数的计算  24-25
    2.2.2 分段模拟斜槽技术的原理  25-27
    2.2.3 气隙磁密的有限元计算与分析  27-28
    2.2.4 反电势的有限元计算与分析  28-30
    2.2.5 齿槽转矩的有限元计算与分析  30-31
  2.3 本章小结  31-33
第三章电动汽车用永磁同步电机损耗的分析  33-57
  3.1 永磁同步电机定子铁耗的分析  33-47
    3.1.1 基于时步有限元的铁耗计算模型  33-36
    3.1.2 空载时典型位置的磁密轨迹的分析  36-38
    3.1.3 空载时典型位置的磁密波形的分析及铁耗的计算  38-43
    3.1.4 定子铁耗的变化规律  43-47
  3.2 定子绕组铜耗的分析  47-50
    3.2.1 绕组铜耗的计算  47-48
    3.2.2 槽口尺寸对绕组铜耗的影响  48-50
  3.3 转子涡流损耗的分析  50-54
    3.3.1 转子涡流损耗的计算  50-52
    3.3.2 转子涡流损耗的变化规律  52-54
  3.4 机械损耗的分析  54-56
  3.5 本章小结  56-57
第四章电动汽车用永磁同步电机的温度场分析  57-76
  4.1 热传递的方式  58-60
    4.1.1 热传导的基本规律(傅立叶定律)  58-59
    4.1.2 热对流的基本规律(牛顿冷却公式)  59
    4.1.3 热辐射的基本规律(斯蒂芬-玻耳兹曼定律)  59-60
  4.2 导热微分方程及其边界条件  60-61
  4.3 温度场的参数计算  61-65
    4.3.1 生热率的计算  61
    4.3.2 导热系数的计算  61-64
    4.3.3 表面散热系数的计算  64-65
  4.4 电机温度场模型的建立与分析  65-67
    4.4.1 求解域的基本假设  65-66
    4.4.2 求解域边界条件的确定  66-67
  4.5 热模型温度场仿真  67-70
  4.6 转速和负载对温度场的影响  70-74
    4.6.1 转速对温度场的影响  70-74
    4.6.2 负载对温度场的影响  74
  4.7 本章小结  74-76
第五章电动汽车用永磁同步电机特性与温升实验研究  76-83
  5.1 空载实验  76-79
    5.1.1 空载反电势实验  76-77
    5.1.2 电机损耗的测量  77-79
  5.2 温升实验  79-82
    5.2.1 实验条件  79-80
    5.2.2 不同转速下的温度实验  80
    5.2.3 不同负载下的温度实验  80-82
  5.3 本章小结  82-83
第六章总结与展望  83-85
  6.1 全文总结  83-84
  6.2 后期工作展望  84-85
参考文献  85-90
致谢  90-91
攻读硕士学位期间发表的论文  91

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